第六章 微生物的遗传与变异 概述 第一节 微生物遗传的机制 第二节 微生物的变异 第三节 微生物的遗传与变异理论及 实践意义

Chapter 6 Microbial Heredity & Variation Introduction Mechanism of Microbial Heredity Microbial Variation Theories & Practical application of Microbial Heredity & Variation

概 述 性状——基因 遗传 变异 遗传/变异 自身矛盾——生物性状 相对稳定 发展进化 微生物——生物 （特殊与一般） 转导致育因子

Introduction Genotype and Phenotype Heredity and Variation (Mutation) Microorganisms and Organisms ( special and common characteristics) Transduction F factor

第一节 微生物遗传的机制 一、遗传的物质基础： 性状——基因—— 染色体上能导致产生特定 肽链的一段DNA—DNA。 二、基因的传递： 第一节 微生物遗传的机制 一、遗传的物质基础： 性状——基因—— 染色体上能导致产生特定 肽链的一段DNA—DNA。 二、基因的传递： 基因位于染色体上 细菌—原核—DNA 真核—核蛋白（组蛋白）

（一）       DNA的结构： DNA 核苷酸单体—酸+ 碱基A（腺嘌呤） T（胸腺嘧啶） C （胞嘧啶）G（鸟嘌呤）   两条核苷酸链 聚核苷酸（多） 碱基在内——两链上碱基互补配对 A—T（U） G—C 脱氧核糖、磷酸向外 氢键相连

1. Mechanism of Microbial Heredity A. Material Basis of Genetics Gene---a length of DNA, which determines a specific peptide/protein, on the chromosome B. Flow of Genetic Information B1. Structure of Deoxyriboucleic Acid (DNA) (See next slide) Base base-pair double helix

Structure of DNA

Structure of Gene

第一节 微生物遗传的机制 （二）DNA的复制 氢键断裂，两链分开各以核苷酸链为模板，按碱基配对原则，在DNA聚合酶作用下，由一个DNA分子复制成两个结构相同的DNA分子。复制的DNA分子，各由一新旧链组成的双螺旋结构。

Mechanism of Microbial Heredity B2. Replication of DNA DNA polymerase ( DNA-pol) Hemi-conservative replication replication fork B3. Gene & Genetic Expression DNA mRNA protein Transcription Translation

DNA Replication

（三）基因与性状遗传 碱基顺序——基因（DNA的片断）碱基顺序 基因 氨基酸 性状 ①性状的遗传 ②遗传信息的转达 ③ 即亲代基因的子代表现 ④ 碱基顺序的转录过程（复制过程）

Figure. Reverse genetics Figure . Reverse genetics. Top, gene structure of FASCIATA 1 with exons in blue and introns in yellow. Red denotes a bacterial T-DNA that has inserted into the gene. Bottom, mutants lacking the wild-type FAS1 gene have altered development.

第一节 微生物遗传的机制（3） （一）转录 mRNA聚合酶 DNA mRNA

通过转录，DNA的碱基序列按互补配对的原则转变成RNA分子中的相应碱基 序列。然后，再以mRNA为模板，按照其碱基(A、G、C、U)的排列顺序，以三个相邻碱基序列为一种氨基酸的密码子形式，来决定蛋白质合成时氨基酸的序列。 这一过程称为翻译(translation)。

Translation

Mechanism of Microbial Heredity (3) Retro-transcription of RNA viruses: RNA DNA mRNA Peptide

第二节 微生物的变异现象 （1） 一、常见的微生物变异现象 （一）形态上的变异 青霉素 使正常变多形 （二）结构上（抗原性）的变异： 第二节 微生物的变异现象 （1） 一、常见的微生物变异现象 （一）形态上的变异 青霉素 使正常变多形 （二）结构上（抗原性）的变异： 荚膜：（炭疽、肺炎球菌、荚膜抗原消失，致病性改变） 鞭毛： H——Ohne hauch 膜 无膜 鞭毛 无鞭毛 鞭毛抗原 菌体抗原 芽胞：成芽胞菌——无芽胞菌 （三）毒力上的改变 长期非最佳温度，非易感动物

Mutations are inheritable changes in the base sequence of nucleic acid -- the genetic material. An organism with these changes is called a mutant. Genetic recombination is the process where genes from two genomes are combined together. A mutant will be different from its parent, its genotype or genetic makeup has been altered.

A six-legged green frog. Property Accessor/Mutator

2. Microbial Variation (1) A. Morphological Variation e.g. penicillin can induce this change B. Structural Variation Capsule Outer-membrane Flagella Spore C. Virulence Variation

第二节 微生物的变异现象 （四）代谢上的变异 1．营养缺陷型的变异： 能全面合成氨基酸——不能合成某一氨基酸 可作为研究遗传的一个良好机会 第二节 微生物的变异现象 （四）代谢上的变异 1．营养缺陷型的变异： 能全面合成氨基酸——不能合成某一氨基酸 可作为研究遗传的一个良好机会 2．抗药性变异 ①竞争 ②改变代谢途径 （五）菌落变异： 细菌从S——R 病毒的蚀斑大小

Microbial Variation (2) D. Metabolic Variation D1. D2. Drug resistance D2.1 competition D2.2 alternation in metabolic pathway E. Colonial Variation Bacteria: smooth rough (S-R variation) Viruses: size of plaque

第三节 微生物遗传变异的机制 微生物变异的机制 一．非遗传性变异： 由于外界环境不同而引起，基因无改变 炭疽杆菌 R S 第三节 微生物遗传变异的机制 微生物变异的机制 一．非遗传性变异： 由于外界环境不同而引起，基因无改变 炭疽杆菌 R S 普通琼脂 厌氧、富含血清或血液培养基

二．遗传性变异：由于基因发生了改变、引起了相应的性状改变，从而发生可遗传性变异即突变。 （一）基因突变 1.自发突变 由于细菌个体基因内部结构发生了细微变化。 自然界经常发生 10—4—10—9（十亿） 2.诱发变异 指在细菌的环境中加入理化因素而诱导细菌发生突变。 突变的原因在于碱基的增加、缺失、变位、重组。

3. Mechanism of Microbial Variation A. Non-genetic Variation caused by circumstances e.g. Bacillus anthracis: S-R variation B. Genetic Variation caused by changes in genes, so it is hereditary. B1. Gene Mutation B1.1 Spontaneous mutation B1.2 Induced mutation

Non-genetic Variation caused by circumstances

Spontaneous mutation

Induced mutation

第三节 微生物遗传变异的机制（2） 可见于无性繁殖或有性繁殖。 1.转化：外来细菌DNA的插入。 2.转导：病毒（噬菌体）DNA的插入。 （二）基因重组 可见于无性繁殖或有性繁殖。 1.转化：外来细菌DNA的插入。 2.转导：病毒（噬菌体）DNA的插入。 简单插入 全部插入 ——单交换 加缺失插入 部分插入 ——双交换 这种以噬菌体为媒介，使细菌的遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌的过程称为 转导，该噬菌体称转导噬菌体。

Mechanism of Microbial Variation (2) B2. Genetic Recombination ( Seen in sexual or asexual multiplication). B2.1 Transformation Insertion of foreign bacterial DNA. B2.2 Transduction Insertion of viral ( phage) DNA. General transduction, Restricted transduction

Genetic Recombination

Transformation

Transduction

第三节 微生物遗传变异的机制（3） 3.接合： 有性遗传 霉菌：两性孢子结合，甚因重组。 第三节 微生物遗传变异的机制（3） 3.接合： 有性遗传 霉菌：两性孢子结合，甚因重组。 细菌：雄性菌（F+）将一段DNA转移给雌性菌（F—）。可位于染色体外——质粒 致育因子 也可为细菌染色体的一部分（高频重组细菌、大肠杆菌） 除致育因子外还有一些DNA片断和受精因子结合导致细菌的抗药性遗传。 （抗药性因子） 受精子因子、抗药性可致移因子 染色体外的DNA 质粒（游离基因） 4.误译：

Mechanism of Microbial Variation (3) B2.3 Conjugation Sexual, hereditary Moulds: spore combination Bacteria: by means of F, R and Col plasmids Resistance factor Resistance transfer factor B2.4 Mistaken translation

第四节 人工定向变异的方法及应用(1) 一、基因图谱与遗传工程 把表示不同性状的各个基因在染色体上的位置用图示的方法表示出来即~。 人为地改变染色体上基因位置的方法称基因工程。 人胰岛素制造基因+大肠杆菌DNA。 连接酶 内切酶 制造胰岛素的大肠杆菌。

二 、人工获得变异品系的方法 黄绿色强荧光——强毒出败巴氏杆菌。 无色（伊红美兰培养基）不发酵大肠杆菌。 （一）筛选——从自然变异中挑选出所需要的变异株。 黄绿色强荧光——强毒出败巴氏杆菌。 无色（伊红美兰培养基）不发酵大肠杆菌。 物理——紫外线、同位素、激素、高温。

4. Methods and Applications of Artificial Variation (1) A. Genomic Mapping & Genetic Engineering Genomic Mapping－method of locating genes that decide different phenotypes on the chromosome by means of a diagram.

A: STS map indicating which cosmids were used in the experiment A: STS map indicating which cosmids were used in the experiment. STSs are represented as vertical ticks separated by an arbitrary distance. The relative orientation of the contigs was unknown. B: Images of representative hybridizations of pairs of cosmids. Bar indicates 10 microns, i.e. 20 kb. C: Final map.

Affymetrix GeneChip analysis of TRPM8 expression in different cell lines. PMQ values of TRPM8 mRNA expression in 30 cell lines dived from six different tissues including prostate, bladder, colon, mammary gland, lung and pancreas.

Genetic Engineering－methods of artificially change the position of genes on the chromosome e.g. insulin gene ligase insulin gene in E. coli + restriction nuclease E. coli genome

第四节 人工定向变异的方法及应用(2) 化学——5--溴尿嘧啶 生物——多代人工培养、非易感动物 化学诱变的原理 （二）人工诱变 化学——5--溴尿嘧啶 生物——多代人工培养、非易感动物 化学诱变的原理 1．改变碱基配对顺序：5—溴尿嘧啶 T—A A T G 甲硫氨酸 替代（5-- Ubr r） Ubr—A 复制 A C G 苏氨酸 Ubr—G 转录 C—G

Methods and Applications of Artificial Variation (2) B. How to Acquire Artificially Variants? B1. Screening ---needed isolates selected from natural variants B2. Artificial Induction ---chemical methods ---biological methods B3. Hybrid Breeding B4. Genetic Engineering

第四节 人工定向变异的方法及应用(3) 2．改变碱基结构： 腺嘌呤（A） 次黄膘岭（H） 胞嘧啶（C） 脲嘧啶（V） （三）杂交育种 （四）基因工程

Methods and Applications of Artificial Variation (3) Theory of Chemical Mutation 1)．Change in Base-pair：

2). Change in base structure Subsequent mutation on one strand of a helix to maintain structure following initial mutation of a complementary base.

第五节 微生物的遗传与变异理论及实践意义 遗传信息——DNA、RNA——核苷酸 现代遗传变异的研究 生物学遗传变异——从微生物突破——再利用于生物变异 认识核苷酸的碱基结构以来，有关基因工程从两方面作工作，人为地改变染色体上基因位置——基因工程 1．分离出天然基因加入现有生物体的染色体中 2．利用诱变、增加变异率 工业上高产、医学上低毒、良好抗原性、农业上高产或含特殊成分。

Thanks! 制作人：李新生